книги из ГПНТБ / Хандельсман Ю.М. Камневые опоры

ПРЕДИСЛОВИЕ

Миниатюрные опоры .являются распространенными и -важны­ ми узлами многих приборов (часов, гироскопов, акселерометров, электрических счетчиков, расходомеров, тахометров и т. д.). Они часто определяют выходные параметры и надежность функциони­ рования этих устройств. Камневые опоры, составляющие специ­ фическую группу узлов трения, применяются в наиболее ответст­ венных прецизионных приборах. Главные преимущества таких опор состоят в их высокой износостойкости и стабильности фрикционных характеристик. До сих пор количество камней в часах (так назы­ вают подшипники и другие элементы опор, изготовленные из мине­ ралов) является одним из критериев высокого качества.

Уменьшение габаритных размеров и усложнение условий при­ менения при одновременном повышении требований к точности, надежности и ресурсу современных приборов вызывают необхо­ димость более широкого применения камневых опор. Такие опоры в силу особых свойств материалов, применяемых для их изготов­ ления, позволяют решать широкий круг инженерных задач и обе­

производство синтетического рубина и выпускает практически все типы камней. С переходом к массовому высокомеханизированно­ му производству резко снизилась их стоимость — все это способ­ ствует еще более широкому использованию камневых опор в ме­ ханизмах приборов.

Камневые опоры применяются очень давно. Вероятно, одно из первых упоминаний о них имеется в книге X. Гюйгенса «Часовые колебания»,- опубликованной в 1673 г. Несмотря на длительность применения, сведения о камневых. опорах, содержащиеся в лите­ ратуре по деталям приборов, весьма ограничены п недостаточны для рационального использования и разработки новых опор, удов­ летворяющих современным требованиям. До сих пор не издано монографии, посвященной этим узлам трения. Много полезной информации о таких опорах имеется в многочисленных статьях и специальной литературе по кристаллографии, физической химии, трению и другим вопросам. Однако вследствие раздробленности этого материала инженерно-технические работники в своей повсе­ дневной деятельности не могут полностью им воспользоваться.

Автор попытался в какой-то мере восполнить этот пробел, обобщив имеющийся материал по кампевым опорам. В брошюре нашли отражение результаты работ, проведенных автором при ис­ следовании и разработке камневых опор в Научно-исследователь­ ском институте часовой промышленности (НИИЧаспром).

Первая попытка создания подобной монографии не может быть свободна от недостатков, поэтому автор с благодарностью примет любые замечания и пожелания читателей, направленные на улучшение содержания брошюры. Просьба присылать их по адре­ су: Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., д. 3, издательство «Маши­ ностроение».

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А — ангстрем; Ас — контурная площадь касания;

а — радиус площадки контакта соприкасающихся поверх­ ностей;

D3 — диаметр заплечика цапфы;

Еі, Ег — модули упругости материала цапфы и подшипника; f — коэффициент трения скольжения;

Іц — коэффициент трения в цапфе; G — радиальная нагрузка на опору; g — ускорение силы тяжести;

Нц — высота цапфы; НВ — твердость по Бринелю;

k n , &21 — главные кривизны поверхности;

Мц — момент трения в цапфе;

т— расстояние между граничными поверхностями капил­

лярного зазора опоры у периметра смачивания в мас­ ленке;

N — перегрузка, а также число, показывающее, во сколько раз действующее давление больше гидростатического;

[А?] — допускаемое значение перегрузки;

п— расстояние между граничными поверхностями капил­ лярного зазора опоры у периметра смачивания запле­

чика цапфы; Р — осевая нагрузка на опору; р — давление;

Q — усилие срабатывания ПУ;

q0 — наибольшее давление в контакте;

[<7о] — допускаемое наибольшее давление в контакте;

Рг — высота неровностей (ГОСТ 2789—59);

г— радиус отверстия камня и периметра смачивания; г' — радиус сферической поверхности образца;

гп — радиус сферической поверхности пяты цапфы;

Гц — радиус цапфы;

S — площадь поверхности подвижного элемента опоры, смоченная маслом;

Т — усилие предварительного натяжения пружины; U — объем масла в опоре;

V — скорость;

Wx — момент сопротивления опасного сечения цапфы; у — смещение оси;

Z — удельная маслоемкость;

[2 ] - допускаемое значение удельной маслоемкости;

У— плотность;

ô— смещение периметра смачивания;

д— зазор между камнями;

До — осевой зазор; Др радиальный зазор;

е— относительная износостойкость;

Л— вязкость;

il* — упругая постоянная соприкасающихся тел; Ѳ — краевой угол смачивания;

угол трения; ЦЬ (-І2 -- коэффициенты Пуассона материалов цапфы и подшип

ника;

Qрадиус кривизны мениска;

аповерхностное натяжение;

\относительный зазор;

±— знак перпендикулярности; знак параллельности.

Принятые сокращения терминов

КО — камневые опоры; МУО — маслоудерживающие опоры;

ПАВ — поверхностноактивные вещества; ПУ — противоударное устройство;

МОС — миниатюрные опоры скольжения.

СВЕДЕНИЯ О МАТЕРИАЛАХ КАМНЕВЫХ ОПОР

Подшипники и другие элементы камневых опор изготавливают из минералов, которые имеют преимущественно кристаллическое строение. Кристаллом называется однородное твердое тело, имею­ щее закономерно-прерывное внутреннее строение' и ограниченное плоскими гранями. Особые свойства материалов камневых опор объясняются прежде всего их кристаллическим строением.

1. СВЕДЕНИЯ ИЗ КРИСТАЛЛОГРАФИИ

Плоские грани кристаллов (рис. 1) пересекаются под некото­

принимают лишь некоторые определенные характерные значения, является несомненным признаком того, что кристаллы анизотроп­ ны. Анизотропность кристаллов, т. е. зависимость их свойства от направления, является их характерной чертой, хотя эта анизо­ тропность у разных кристаллов и в отношении различных свойств выражается неодинаково. Она проявляется в первую очередь в некоторых механических свойствах и сказывается на величине деформации под действием силы, прочности на разрыв, тепловом расширении, теплопроводности, диэлектрической проницаемости или показателе преломления. Все эти свойства, замеренные на разных кристаллографических гранях, оказываются неодинаковыми.

Таким образом, существуют особые кристаллографические на­ правления и кристаллографические плоскости, в которых физичес­ кие свойства кристаллов оказываются определенными.

Отдельный кристалл, в пределах которого кристаллографичес­ кие направления сохраняются, называется монокристаллом. Моно­ кристалл обладает важным свойством — однородностью, под ко­ торой понимается одинаковость физическйх и химических свойств самого кристалла и любой его части. Части кристалла одинаковой формы и одинаково ориентированные в пространстве, вырезанные в разных местах кристалла, обладают одинаковыми с ним свой­

ствами.

С молекулярной точки зрения описанные выше и другие свой­ ства кристаллов объясняются правильным пространственным рас­ положением частиц, . из которых состоит кристалл. Эта правиль­ ность представляет собой периодическую структуру или кристал­ лическую пространственную решетку, в которой центры атомов (ионов или молекул) образуют ее узловые точки или узлы решет-

жет быть несколько плоскостей симметрии, каждая из которых обозначается буквой Р с соответствующим индексом (рис. 3).

Осью симметрии называется такая прямая, при повороте вок­ руг которой на 360° кристалл несколько раз совмещается всеми своими точками с первоначальным положением в пространстве.

Е. С. Федоров установил наличие 230 возможных видов сим­ метрии правильных систем фигур путем разделения всего про­ странства на многогранники [6]. Все эти виды разделяются на 32 класса, объединяемые в семь систем, или «сингоний»: 1 — ку­ бическую; 2 — гексагональную; 3 — тригональную; 4 — тетраго­ нальную; 5 — ромбическую; 6 — моноклинную 7 — триклинную. Некоторые сиигонии делятся на подсингонии, а 2 и 3-я сингонии обычно соединяются в одну и рассматриваются как подсингонии. На рис. 1 показаны формы кристаллов. В частности, корунд с его разновидностями — рубином и сапфиром, кристаллизуется в тригональной подсингонии, к которой относятся кристаллы, имеющие форму тригоналыюй призмы, ромбоэдра, тригонального трапецо­ эдра и др. (рис. 1, поз. 9, 10, 11).

2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

Минералы представляют собой продукты природных физико­ химических процессов, протекающих в различных областях земной коры [6]. Они обладают характерными физическими свойствами и химическим составом либо вполне постоянным, либо колеблю­ щимся • в определенных пределах. Для изготовления приборных камней применяют искусственные минералы: корунд и его разно­ видности — рубин, сапфир и шпинель, а также естественные ми­ нералы: агат, шпинель, яшму и в некоторых случаях алмаз. В по­ следнее время ведутся работы по замене минералов специальными сортами стекла.,— снталлами.

Требования к камневым материалам диктуются служебными свойствами камней и условиями их изготовления. Такие материалы должны обладать высокой износостойкостью, низким коэффициен­ том трения в паре с материалом цапфы или другого трущегося элемента опоры, высокой твердостью, достаточной прочностью, хи­ мической стойкостью, однородностью, малой хрупкостью, хорошей обрабатываемостью. В отдельных случаях к камневым материалам предъявляются дополнительные требования, такие как стойкость к термоударам, радиационная стойкость и др.

Корунд. АІинерал корунд представляет собой химическое сое­ динение алюминия с кислородом [32]. Он обычно содержит при­ меси окиси железа (1—2%), а иногда окись хрома. Физико-меха- иические свойства корунда указаны в табл. 1.

Кристаллы корунда обладают остро пирамидальной боченковидной и ромбоэдрической формой и имеют зеркальную поворот­

Плоскости симметрии Р делят углы между осями іг пополам (см. рис. 3). Ось iß является также оптической и называется главной

осью кристалла.

В природе встречаются три разновидности корунда, отличаю­ щиеся по цвету, чистоте, структуре и твердости: благородные корунды (рубин, сапфир), обыкновенные корунды и наждаки.